月山湖大道景觀橋方案設計

危玉蓉,熊 誠,李 靜,陳玉龍,梁慶學

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

1 引 言

隨著經濟的發展和社會的進步,城市建筑在滿足功能性需求的同時也有審美上的要求。在景觀橋梁設計中,需遵循橋梁設計標準,同時需結合自然環境、人文環境,制定最合理的城市景觀橋梁設計方案[1]。以月山湖大道景觀橋梁方案設計為例,從梧桐湖新區總體目標出發,結合區域的旅游主題定位,考慮到橋梁跨徑、橋位受高壓鐵塔的影響、項目周邊要發展為旅游水鄉小鎮等因素,選擇梁式橋和拱橋作為本方案主要備選橋型。對連拱橋及空心板裝飾拱橋作方案比選,月山湖一號橋選擇了九孔實腹式連拱橋作為推薦方案。本橋型方案打造了具有強烈識別性的景觀節點,融入了城市濱水綠道、水鄉小鎮的自然景觀。

2 工程概述

梧桐湖新區作為武鄂黃城市帶上重要的戰略節點,在承接武漢市產業轉移方面具有得天獨厚的地理和交通區位優勢。武漢城市圈發展戰略的推進為梧桐湖新區帶來重大發展機遇。

梧桐湖新區的總體目標為打造全國知名旅游度假勝地。梧桐湖新城的旅游主題定位為“雙湖連城,動靜相宜”——塑造大武漢的生態魅力后花園和城市的活力游賞網絡。

梧桐湖新區市場定位如下:

國際認知——偶發型旅游目的地,依托以武漢為首的周邊城市群,結合國際交流、會議展示、城市訪問和度假休閑等,吸引高端商務人士、文化使者、創意一族和跨國游客。

國內知名——國家5A級風景區,吸引全國度假休閑客游賞,吸引湖泊、濕地等環保組織和相關機構到訪考察。

區域亮點——多次重游目的地,重點鎖定新生代的水上運動和時尚休閑客群,以及區域各地的體驗游客。

本地熱點——面對創意旅游城的高知就業者和本地居民,塑造為眾人喜愛的日常漫步、運動休閑和觀景綠網。

梧桐湖新區水系資源豐富,中心為基于現狀月山湖規劃建成的主要人工景觀湖,周圍為連接城市內部各個水域的城市河流。月山湖大道為梧桐湖新區總體規劃中確定的城市主干路,與鳳凰大道形成環形的主干道路網,作為新區內主要的交通干道,對于整個新區的交通聯系起著非常重要的作用。按照《湖北梧桐湖新區市政工程規劃》,月山湖一號橋橋位見圖1。

圖1 月山湖一號橋橋位圖(資料來源:1123新城用地布局規劃圖)

3 方案設計

3.1 橋型選擇

在充分理解方案征集要求的基礎上,根據項目所在區域特點,推薦選擇梁式橋和拱橋作為本方案主要備選橋型,理由如下。

(1)懸索橋、斜拉橋、大跨徑鋼管拱橋不適合本次方案設計。

從橋型方案選擇上看,設計橋型主要在懸索橋、斜拉橋、拱橋、梁式橋之間選擇。

懸索橋使用歷史悠久,具有跨越能力大、造型美觀等特點,是跨度1 000 m以上最具有競爭力的橋梁結構型式[2],但其造價高,施工技術要求高、難度大。

斜拉橋型是近60余年發展起來的一種新型結構體系,根據主梁、拉索的不同受力特點,可分為普通斜拉橋和部分斜拉橋。對于普通斜拉橋而言,其經濟跨度一般在200 m以上,故本次設計不研究懸索橋和普通斜拉橋方案。

鋼管拱橋、部分斜拉橋和連續剛構:單跨跨徑在100～200 m級別的橋梁中,此類橋型可供選擇。部分斜拉橋兼顧連續剛構和普通斜拉橋的受力特點,同時具有普通斜拉橋的挺拔造型,實用又美觀,但亦存在斜拉索后期養護和景觀要素沖突問題,故不推薦部分斜拉橋結構在本橋中使用。

月山湖一號橋橋位南側離高壓線距離較近,由于受跨徑及高壓線的限制,因此不宜在此做斜拉橋、懸索橋、中承、下承式拱橋及上部空間有造型的橋梁。

(2)梁式橋特點。

梁式橋具有外觀簡潔、技術成熟、施工方便、造價低等優點,是中小跨度橋梁中采用頻率最高的一種結構型式。根據其受力情況的差異,可分簡支梁、連續梁、連續剛構。

簡支梁適用于小跨度,可考慮在引橋使用,簡支梁根據主梁橫斷面不同,又可分為簡支T梁、簡支小箱梁、簡支空心板、簡支I型梁等。其中I型梁橋跨越能力稍差,特別是I型梁橋一般為組合橋面,后期維護困難,因此,不推薦在本項目中使用I型梁。

簡支T梁與小箱梁在城市橋梁中使用較為廣泛,跨越能力較空心板大,設計中亦可考慮先簡支吊裝,安裝后通過設置現澆連續段形成結構連續,增加行車的舒適度;連續梁橋跨越能力較簡支梁好,主梁斷面基本上以箱形斷面為主,施工主要以滿布支架現澆或采用移動模架法現澆施工,造價稍高,結合橋位區域特點,空心板、簡支T梁、小箱梁、連續梁橋均可在本項目中考慮使用。

與連續梁相比,連續剛構一般可以節省支座費用,梁高在同等跨度下較連續梁低,適用于墩高較高的情況,但由于溫度力等縱向水平力對墩身推力等作用,下部結構的造價一般會有大幅增加。在墩高較低的情況下,可考慮采用中小跨度的連續梁,以減少水平力對基礎的影響。由于橋型方案需滿足景觀要求,與城市濱水綠道、水鄉小鎮的自然景觀相協調,故在本次方案設計中亦不考慮中小跨徑的連續梁橋。

(3)拱橋的特點。

中國的拱橋始建于東漢中后期,已有1 800余年的歷史。它是由伸臂木石梁橋、撐架橋等逐步發展而成的。由于在形成和發展過程中的外形都是彎曲的,所以古時常稱為曲橋。拱橋造型優美,曲線圓潤,富有動態感。單拱的如北京頤和園玉帶橋,拱券呈拋物線形,橋身用漢白玉,橋形如垂虹臥波。多孔拱橋適于跨度較大的寬廣水面,常見的多為三、五、七孔。多孔橋孔數以奇數為多,偶數較少。多孔拱橋,當某孔拱圈受荷時,能通過橋墩的變形或拱上結構的作用將荷載由近及遠地傳遞到其他孔拱圈上去,這樣的拱橋稱為連拱橋。一般是中孔最大,兩邊孔徑依次按比例遞減,橋墩纖薄輕巧,全橋協調勻稱,如著名的頤和園十七孔橋。

拱橋的橋型優雅而流暢,觀賞效果好,如美麗彩虹浮現于城市山水之間,極具觀賞效果,拱肋在夜間配上彩色的燈光效果,可成為城市中一道靚麗的風景線。從結構技術上看,拱橋受力合理、明確、跨越能力大和承載潛力大,由于墩、拱剛性連接,無需昂貴的大噸位支座,免去其養護、更換的麻煩,在我國城市景觀橋型中的使用頻率較高,尤其多見于江南水鄉。因此,拱橋可作為本方案的主要備選橋型。

3.2 方案設計

在適用、安全、經濟、美觀四原則和諧統一的指導思想下,對適宜的橋型方案進行對比分析。

月山湖大道一號橋北瞰月山灣旅游服務中心,南臨水鄉小鎮特色度假區,位于月山湖和水鄉小鎮的銜接處,湖水沿岸是生態濕地,整體空間效果圖見圖2。

圖2 整體空間效果圖

(1)方案一(推薦方案):九孔連拱橋,方案一立面圖見圖3。

圖3 月山湖大道一號橋方案一立面圖

橋長148.4 m,主拱為75 cm厚的鋼筋混凝土板拱,最大孔徑16 m,兩邊孔徑依次為15、13、11、10 m,常水位時,拱圈頂至常水位高度依次為8、7.6、6.4、5.2、4.5 m。橋面標高擬定為24.36 m,橋臺標高為19.702 m。

橋拱掩藏于濱水濕地綠蔭之中,濕地綠化與拱橋外觀色彩對比鮮明,但協調統一。橋梁體態多姿、線條流暢,橋下碧波蕩漾、倒影成環。采用鋼制鑄造石復合欄桿,窗格設計,將古典及現代材料有機融合。整橋欄桿簡潔、大方、綠色環保。橋梁側面采用石材干掛式的裝飾,將古典與現代風格完美地融合在一起?！八l小鎮拱橋行,一傘恰若黑穹星。月夜荷塘展畫卷,夢境伴唱是蛙鳴?！睒蛄赫w與水鄉小鎮渾然一體,恰似一幅淡雅的水墨畫卷。

(2)方案二:七孔空心板裝飾拱橋,方案二立面圖見圖4。

圖4 月山湖大道一號橋方案二立面圖

橋長148.4 m,為7跨20 m空心板外裝飾拱橋,梁底至常水位高度依次為4、3.87、3.47、2.97 m。橋面標高擬定為24.36 m,橋臺標高為22.61 m。

橋梁縱坡較緩,更利于行車。橋型簡潔明快、質樸清新、富有動感,為水鄉添上了一抹絢麗的色彩。坐游船徜徉水上,領略水鄉秀麗風光,頗有“如在鏡中游”之趣。

(3)方案三:五孔連拱橋,方案三立面圖見圖5。

圖5 月山湖大道一號橋方案三立面圖

橋長148.4 m,最大孔徑30 m,兩邊孔徑依次為25 m、20 m,拱圈距常水位高度依次為7.7、6.97、5.3 m。橋面標高擬定為24.36 m,橋臺標高為19.702 m。

該方案橋梁線型優美,拱圈跨徑大,視野通透。主拱上增設腹拱,既減輕自重,又能增加景觀效果。

(4)月山湖大道一號橋方案比選,詳見表1。

表1 月山湖大道一號橋方案比選

4 月山湖大道推薦方案結構設計

4.1 上部結構

月山湖一號橋為九孔實腹式連拱橋,橋寬32 m,凈跨徑布置為:10+11+13+15+16+15+13+11+10=113 m,橋型立面圖見圖6。主拱為鋼筋混凝土半圓拱,拱圈半徑為500～800 cm,拱圈厚度為65～80 cm,側墻為鋼筋混凝土結構,頂部寬為75 cm,外側為大理石鑲面。拱腳處設有C15片石混凝土護拱,厚約1.5～3.0 m,上面鋪設一層防水層,再上面為50 cm厚的卵石導濾層,中間為二灰土填料。

圖6 月山湖大道一號橋橋型立面圖(單位:cm)

4.2 下部結構

橋墩下部構造為拱座、承臺接樁基礎;U型橋臺,拱座、承臺接樁基礎。橋墩承臺厚度為2.5 m,A類承臺寬為3.55 m,基礎為一排7根Φ1.5 m的鉆孔灌注樁;B類承臺寬為5.7 m,基礎為兩排7根Φ1.2 m的鉆孔灌注樁。橋臺承臺厚度為2.2 m,橋臺基礎為兩排7根Φ1.2 m的鉆孔灌注樁。

5 橋梁結構驗算

采用同濟大學研發的橋梁有限元分析軟件《橋梁博士》進行靜力分析。拱圈采用無鉸拱,建立模型、劃分單元,有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型圖

5.1 承載能力極限狀態強度驗算

圖8為承載能力組合Ⅰ最大抗力與最大抗力對應內力圖,圖9為承載能力組合Ⅰ最小抗力與最小抗力對應內力圖,主拱圈承載能力極限狀態下的正截面抗彎強度滿足要求。

圖8 最大抗力與最大抗力對應內力圖(單位:kN·m)

圖9 最小抗力與最小抗力對應內力圖(單位:kN·m)

5.2 裂縫驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)第6.4.1規定,鋼筋混凝土構件和B類預應力混凝土構件,應按作用頻遇組合并考慮長期效應的影響驗算裂縫寬度。圖10為正常使用組合Ⅰ下緣裂縫圖,可以看出,主拱圈裂縫均<0.2 mm,滿足規范要求。

圖10 下緣裂縫圖(單位:mm)

5.3 撓度驗算

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)第6.5.3條規定,主拱圈正常使用極限狀態(頻遇組合)計算結果為最大位移=6.1 mm,小于計算跨徑的1/600,16 000/600=26.7 mm,滿足要求。

5.4 橫向穩定性驗算

該橋寬跨比>1/20,橫向穩定性可以不進行驗算。

經計算,上部結構拱圈各項指標均滿足規范要求。

6 結 語

“景觀橋梁的最大特點是景觀橋梁因地制宜,與其周圍環境相互適應,有機結合成為一個整體”[3]。路、橋、水、船、環境要渾然一體,整個區域要給人以美的享受,它的美要表現在整體上,構成一幅獨特的風景畫卷。本方案設計結合梧桐湖新區總體規劃及區域的旅游主題定位,從“與環境協調”的角度出發,通過景觀橋、濱水步道形成豐富的交通系統,打造獨一無二的濱水藝術景觀。對推薦的連拱橋方案進行結構驗算,計算結果滿足規范要求。綜上所述,景觀橋方案設計應考慮融合自然環境、地域文化、經濟發展需求,兼顧結構受力特性,體現功能與景觀的統一。